增强听觉体验的新型D类放大器

随着汽车音频系统越来越复杂，客户需要更加丰富的声音，音频组件必须能够处理更多信道和更高功率。在音频放大应用中，模拟AB类放大是针对应用的常用技术，AB类放大器也一直广泛应用于音频行业。相比而言，D类放大技术采用了脉宽调制(PWM)技术，可以将功率效率从AB类放大器的50%提高到90%以上。这样就可以减少发热，在更小的空间内支持更多声道和更高功率，所以业界慢慢开始向D类放大技术过渡。

但是由于汽车环境要求苛刻，对安全、诊断、工作温度范围和高可靠性等都有很多限制，Class D技术的应用自然也有很多技术障碍，例如电磁干扰(EMI)和电源噪声等。飞思卡尔半导体公司的Symphony Class D放大器提供了一种高保真系统解决方案，采用创新的数字反馈技术，大大提高了Class D放大器的音频性能。

　　Symphony D类解决方案

Class D数字放大器解决方案包括Symphony FSA95601数字放大控制器芯片和MC33851输出功率级芯片。数字放大器控制器FSA95601是高性能6声道D类数字放大控制器，可以处理6个声道的脉冲码调变(PCM)数字音效输入，并产生相应的PWM输出，以便驱动外部的功率后级。输出功率级MC33851具有双声道集成H桥式功率级和先进的诊断及保护功能，适用于每个声道需要50～100W(桥接)功率的应用。Symphony解决方案同时也可以接受来自DSP直接输入的数字信号，这样便不需要为每个声道准备数字/模拟转换器。如此一来，由于中间少了不必要的转换层级，音质自然可以得到显著的改善，成本也可随着零部件数目的减少而下降。

图1 数字放大器控制器和输出功率级

如图1所示，FSA95601控制器对多声道脉冲编码调制(PCM)输入进行异步采样率转换和上采样，然后通过先进的信号处理技术(包括自然取样和噪声整型)将它们转换成高频率PWM信号。PWM信号然后与反馈调节相结合，纠正功率级或电源噪声的非理想状态引起的错误。然后，经过校正的PWM信号通过嵌入式H型桥转换，由MC33851功率级放大到电源电压水平。最终经过放大的方波通过LC滤波器产生正弦音频信号，最后连接到扬声器。

FSA95601具有高性能数字信号反馈技术，可纠正功率级非理想状态并抑制电源噪声，同时保持出色的音频性能。FSA95601有6个声道，每个声道都能驱动外部半桥或H型桥功率级；失真度低，在20Hz～20kHz频率范围内，采用1kHz、-3dB FS(12W)输入、14.4V电源、4Ω负载情况下，THD<0.01%；动态噪声范围>100dB；芯片异步采样率转换器(ASRC)支持32～192kHz的PCM输入；具有I2C或SPI从模式控制端口，提供4个I2C地址；串行音频接口(SAI)支持I2S、TDM和其他常见音频格式，支持192kHz的输入。

FSA95601用于需要更高功率的离散功率级设计，可支持直接连接到H型桥式功率级拓扑，通过调节死时间来确保功率晶体管之间不会出现传导重叠。反馈回路延迟补偿可以根据功率级布板和器件延迟来设置。

MC33851双通道H桥接功率后级非常适用于汽车音像系统和恶劣环境，使用14.4V汽车电池直接供电，以2Ω的负载提供额定输出功率，工作电源电压高达24V；2个50W的功率H型桥，输出可以桥接到100W；短路保护输出、低电压、过电压和过热关闭；较低的信道导通电阻；先进的开启/关闭音响按键及杂音抑制电路；8个I2C地址。

　　Symphony D类的解决方案

使用D类放大器，就必须解决电磁干扰(EMI)和电源噪声问题。制造商必须使EMI辐射达到规定指标，并确保辐射不会干扰AM/FM信号接收。另外，在汽车中，通常由于环境条件限制(如引擎噪声)或选择了低成本电源组件，电源条件一般不太理想。

　　解决电磁干扰

Symphony D类数字放大器采用实时数字反馈技术来实现电源噪声抑制。D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率，这使得进行低EMI系统设计变得越来越富挑战性，因为低EMI可能会干扰AM/FM收音机等设备。Symphony D类放大器采用多种方法，以克服与开关放大器技术相关的潜在EMI问题。H桥功率级设备采用可编程转换速率控制，其中输出开关速度可由用户进行调节。如果与FSA95601一起使用，MC33851 H桥功率级转换速率控制电路将降低EMI，而不会影响音频质量。内置在Symphony D类控制器中的其他EMI降低功能包括6个PWM信道的可编程开关定相，多个控制器可对它们的定相进行同步，以降低带有6个声道的系统中的EMI。软件控制了主PWM的频率，从而克服了那些能在载波抑制模式下运行的AM波段干扰，其中脉冲重复频率及其奇次谐波在整个负载(扬声器)中也用差分处理的方法消除了。这样，设计人员可以充分利用D类放大器在功率效率方面的大幅改进，及其节省成本的优势，同时实现良好的音频质量。

　　热量更低、重量更轻

汽车音频组件所面临的最大挑战之一就是散热以及因散热所带来得器件尺寸的问题。传统的外置式放大器由于传统AB类放大技术的效率低下而释放出大量热量。此外，其封装也需要足够大，才能在持续高温工作时进行散热。Symphony D类解决方案的高效率能够最大程度地降低发热并缩小放大器的总体积。这就使制造商可以更自由地将放大器放置在汽车内。提高功率效率不仅可以缩小放大器的体积、减轻重量，还可以支持更多的通道。在某些情况下，这种效率可以完全不再需要外置式放大器。在降低重量和功率的同时，还可以提高燃油效率。

　　高性能数字反馈

高性能数字反馈是Symphony D类数字放大器解决方案的主要优点之一。高性能数字反馈可以纠正功率级非理想状态，降低功率晶体管切换速度，以便减少EMI而不降低音频性能。这种解决方案还提供出色的电源噪声抑制功能，支持使用更低成本的供电器件。

图2 高性能数字反馈

如图2所示，FSA95601控制器反馈系统将切换功率级的输出与内部生成的理想PWM信号进行比较，确保相应声道可以识别错误。然后，错误由A/D转换器转换成数字信号。数字化错误部分的补偿与原始PWM信号相结合，以便对定时或振幅错误进行纠正。

Symphony D类放大器解决方案可以在成本和性能之间达成理想的平衡。如果将Symphony DSP平台与FSA95601数字放大控制器和MC33851输出功率级相结合，可以提供更高的效率和更少的散热，可以在更小的空间内支持更多信道和更高功率，提供出色听觉体验，同时具有高级诊断和保护功能，为音频处理和放大提供了端到端数字解决方案。